اكتشاف إلكترونات “سرعة الضوء” تتحرك في 4 أبعاد لأول مرة: تنبيه علمي

أخيرًا تم عزل سلوك بعيد المنال للإلكترونات عن نشاط الإلكترون العادي في كائن في العالم الحقيقي.

قام فريق من الفيزيائيين بقيادة ريوهي أوكا من جامعة إهيمي بقياس ما يعرف بإلكترونات ديراك في بوليمر فائق التوصيل يسمى ثنائي (إيثيلينديثيو)-تتراثيافولفالين. توجد هذه الإلكترونات في ظروف عديمة الكتلة فعليًا، مما يسمح لها بالتصرف مثل الفوتونات والتذبذب بسرعة الضوء.

يقول الباحثون إن هذا الاكتشاف سيسمح لهم بفهم أفضل للمواد الطوبولوجية، وهي المواد الكمومية التي تعمل كعوازل إلكترونية من الداخل وموصلات من الخارج.

تعتبر الموصلات الفائقة وأشباه الموصلات والمواد الطوبولوجية كلها مهمة ليس أقلها لتطبيقاتها المحتملة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ولكن لا يزال هناك الكثير مما لا نعرفه عن هذه المواد وكيفية سلوكها.

تمثل إلكترونات ديراك إلكترونات قديمة شائعة في ظل ظروف غير عادية تتطلب نسبية خاصة لفهم السلوكيات الكمومية. هنا، يؤدي تداخل الذرات إلى وضع بعض إلكتروناتها في وضع غريب، مما يسمح لها بالارتداد حول الأجسام بكفاءة كبيرة في استخدام الطاقة.

تم إنشاؤها منذ ما يقرب من قرن من الزمان من معادلات الفيزيائي النظري بول تراك، ونحن نعلم الآن أنها موجودة، إنها موجودة بالفعل. تم اكتشافه في الجرافينإلى جانب مواد طوبولوجية أخرى.

ومع ذلك، لتسخير إمكانات إلكترونات ديراك، نحتاج إلى فهمها بشكل أفضل، وهذا هو المكان الذي واجه فيه الفيزيائيون مشكلة. تتفاعل إلكترونات ديراك مع الإلكترونات الثابتة، مما يعني أن اكتشاف وقياس نوع واحد هو بلا شك أمر صعب للغاية.

وجد أوكا وزملاؤه طريقة للقيام بذلك من خلال استغلال خاصية تسمى رنين الإلكترون المغزلي. الإلكترونات هي جسيمات مشحونة تدور؛ هذا التوزيع الدوري للشحنة يعني أن كل واحد منهم يُظهر أ ثنائي القطب المغناطيسي. لذلك، عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي على جسم ما، فإنه يتفاعل مع دوران إلكتروناته غير المتزاوجة، مما يغير حالة دورانه.

ستسمح هذه التقنية للفيزيائيين بالكشف والمراقبة الإلكترونات غير الزوجية. علاوة على ذلك، كما وجد أوكا وباحثون آخرون، يمكن استخدامه لمراقبة سلوك إلكترونات ديراك بشكل مباشر في ثنائي (إيثيلينديثيو)-رباعي فولفين وتمييزها عن الإلكترونات المستقرة في تكوينات دوران مختلفة.

لفهم ذلك بشكل كامل، وجد الفريق أن إلكترون ديراك بحاجة إلى وصفه في أربعة أبعاد. هناك ثلاثة أبعاد مكانية ثابتة، وهي المحاور x وy وz؛ ثم هناك مستوى طاقة الإلكترون الذي يخلق البعد الرابع.

“لا يمكن تصوير هياكل النطاقات ثلاثية الأبعاد في الفضاء رباعي الأبعاد” يشرح الباحثون في ورقتهم“توفر الطريقة التحليلية المقترحة هنا طريقة عامة لتوفير معلومات مهمة وسهلة الفهم حول هياكل النطاقات التي لا يمكن الحصول عليها بطريقة أخرى.”

ومن خلال تحليل إلكترون ديراك بناءً على هذه الأبعاد، تمكن الباحثون من اكتشاف شيء لم نكن نعرفه من قبل. سرعة حركتهم ليست ثابتة؛ بل يعتمد ذلك على درجة الحرارة وزاوية المجال المغناطيسي في المادة.

لدينا الآن قطعة أخرى من اللغز لمساعدتنا على فهم سلوك إلكترونات ديراك، وهو جزء يمكن أن يساعد في تسخير خصائصها في التكنولوجيا المستقبلية.

وقد تم نشر دراسة اللجنة تطورات المنتج.